Simulation de phénomènes
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Les chercheurs, les ingénieurs, les militaires et bien d'autres professionnels se posent souvent la question : quel est le résultat que j'obtiens si j'exerce telle action sur un élément ?

Le moyen le plus simple serait de tenter l'expérience, c'est-à-dire d'exercer l'action souhaitée sur l'élément en cause pour pouvoir observer ou mesurer le résultat. Dans de nombreux cas l'expérience est irréalisable, trop chère ou contraire à l'éthique. On a alors recours à la simulation : rechercher un élément qui réagit d'une manière semblable à celui que l'on veut étudier et qui permettra de déduire les résultats.

La simulation est un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la...) utilisé par le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les...), l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature technologique, concrets et souvent complexes, liés à la conception, à la réalisation et à...), le militaire etc. pour étudier les résultats d'une action sur un élément sans réaliser l'expérience sur l'élément réel.

Lorsque l'outil de simulation utilise un ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de...) on parle de simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite « analogique » qui...).

Phénomène réel

Le phénomène réel à étudier peut appartenir à de nombreuses branches et en particulier :

  • la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) (mécanique, optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition est...), électronique, etc.) :
    • exemple simple : mouvement d'une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la...) suspendue à un ressort et soumise à une impulsion.
    • exemple plus complexe : mouvement de la caisse (Les caisses en bois servent à emballer des produits en plusieurs pièces, qui doivent être livrées ensembles.) d'une automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes...) en déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense...) sur une route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir...).
  • l'économie :
    • exemple simple : remboursement d'un prêt avec intérêt.
    • exemple plus complexe : revenu d'une taxe dont on fait varier le taux.
  • la biologie :
    • exemple simple : diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une...) d'un médicament (Un médicament est une substance ou une composition présentée comme possédant des propriétés curatives, préventives ou administrée en vue d'établir...) dans le sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le plasma est la substance fondamentale et est présent chez la plupart...) en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).
    • exemple plus complexe : évolution d'une épidémie dans une population en fonction du taux de vaccination (La vaccination est un procédé consistant à introduire un agent extérieur (le vaccin) dans un organisme vivant afin de créer une réaction immunitaire positive contre une maladie infectieuse. La substance...) et du temps.
  • le raisonnement :
    • exemple simple : joueur artificiel de jeu d'échec.
    • exemple plus complexe : aide à la décision dans un engagement militaire (jeu de guerre).
  • etc.

La question

Au travers des exemples cités ci-dessus, certains professionnels peuvent s'interroger :

  • l'ingénieur sur l'influence d'un changement d'amortisseurs sur le comportement d'un véhicule (Un véhicule est un engin mobile, qui permet de déplacer des personnes ou des charges d'un point à un autre.) en déplacement sur une route.
  • le ministre du Budget (Un budget est un document comptable prévisionnel distinguant les recettes et les dépenses.) sur le rapport de la taxe à la valeur ajoutée sur un produit quand le taux en est modifié.
  • le médecin (Un médecin est un professionnel de la santé titulaire d'un diplôme de docteur en médecine. Il est chargé de soigner les maladies, pathologies, et blessures de ses patients. Son métier est...) sur l'influence d'un vaccin sur l'éradication d'une maladie (La maladie est une altération des fonctions ou de la santé d'un organisme vivant, animal ou végétal.) dans une population.
  • le militaire sur la tactique à employer dans un engagement de forces aériennes.

La réponse

Dans tous les cas ci-dessus la réponse pourrait être obtenue en tentant l'expérience.

  • l'ingénieur peut construire de nouveaux amortisseurs, les intégrer sur le véhicule, le faire rouler en disposant dans l'habitacle des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation...) de mouvement (accéléromètres) qui lui feront connaître les forces subies par le conducteur et les passagers.
  • le ministre peut décréter l'augmentation ou la baisse de la TVA sur un produit et relever, en fin d'année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), les résultats sur les versements des commerçants.
  • le médecin peut pratiquer la vaccination de la population et mesurer les effets au cours des années.
  • le militaire peut engager des forces contre l'ennemi et mesurer les résultats.

Mais toutes ces expériences ont un ou plusieurs inconvénients :

  • elles peuvent être coûteuses : la construction d'une nouvelle voiture est relativement chère.
  • elles peuvent être longues : mesurer l'impact d'une vaccination au cours des années prend... des années.
  • elles peuvent être contraires à l'éthique : on n'essaye pas un nouveau vaccin sur une population sans un minimum de garanties sur les résultats, on ne fait pas exploser une bombe sur une population uniquement pour en mesurer les effets, on n'effectue pas un essai d'accident sur un véhicule avec des passagers humains à bord.
  • elles peuvent être "politiquement incorrectes" : on ne peut pas augmenter ou diminuer un impôt sans en prévoir les conséquences auparavant.
  • elles peuvent être difficiles, voire impossibles à mettre en œuvre : le matériel n'existe pas ou la population de référence n'existe pas.
  • les résultats ne peuvent pas être mesurés avec certitude : l'expérience ne peut pas être réalisée plusieurs fois dans des conditions identiques.
  • etc.

Les solutions alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié en 1945.)

L'expérience posant divers problèmes de réalisation, on a depuis longtemps fait appel à de très nombreux moyens et outils pour essayer de prévoir les résultats :

  • les prototypes et les maquettes : on construit un exemplaire, éventuellement à échelle réduite, du matériel et on effectue sur lui les essais. La simulation est très proche de l'expérience et on a donc une partie des inconvénients (coûts, durée).
  • on remplace l'humain par un animal : il faut trouver des populations animales dont les comportements sont proches de l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction, l'homme...) vis-à-vis d'un phénomène donné. De nombreux groupes de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) luttent contre cette pratique.
  • on représente le phénomène par une équation : les exemples abondent et ont été utilisés par tous les élèves et étudiants dans les cours de physique, de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.), etc. Seuls les phénomènes les plus simples sont susceptibles de ce type de simulation.
  • les manœuvres : les militaires font s'affronter deux troupes opposées (les oranges contre les bleus) sur un vrai terrain avec de vrais matériels mais sans utiliser de munitions réelles. Des arbitres décident des dégâts infligés.

Tous ces outils sont des simulations. Elles sont plus ou moins proches de l'expérience et plus ou moins faciles à mettre en œuvre.

Depuis quelques années un nouvel outil a fait son apparition : l'ordinateur et la simulation numérique. Le principe de base est celui de la représentation du phénomène par une équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation...). L'ordinateur permet toutefois de s'affranchir de la limitation principale : la représentation des phénomènes les plus simples. Grâce à une puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) de calcul toujours croissante et à l'augmentation du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un...) stockables il est possible de découper un phénomène complexe en milliers, voire en millions, de phénomènes simples et donc de calculer les résultats sur le phénomène complexe.

Exemple : on sait, en aérodynamique (L'aérodynamique est une branche de la dynamique des fluides qui porte sur la compréhension et l'analyse des écoulements d'air, ainsi qu'éventuellement sur leurs effets sur des...), représenter par une équation les forces (portance, traînée) qui résultent de l'action d'un courant d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il...) sur une plaque plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle d'un couteau, munie de deux poignées, à chaque extrémité de la lame. Elle permet le dégrossissage et le creusage de...). On ne sait pas représenter par une équation ces mêmes forces lorsque l'action est exercée sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) complexe telle que l'aile d'un avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par un organe moteur (dans...). La simulation numérique permet de découper l'aile en plusieurs millions de petits éléments qu'on considère comme étant des plaques planes. On peut alors calculer les forces qui s'exercent sur chacune d'entre elle et les combiner pour calculer les forces sur l'aile complète.

Limites et avantages de la simulation

L'ordinateur permet aujourd'hui de simuler des phénomènes très complexes tel qu'un avion complet mais la puissance reste encore insuffisante pour représenter l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout »,...) des phénomènes météorologiques : la simulation de l'évolution du temps reste encore très difficile au delà de quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :).

La simulation permet d'effectuer des recherches sur un système isolé, en faisant varier les paramètres un à un et en recommençant avec les mêmes conditions initiales.
L'expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences répétées la validité d'une hypothèse et à obtenir des données quantitatives permettant de l'affiner. Elle est pratiquée...), sauf pour les phénomènes simples, ne permet pas toujours d'isoler le système à étudier de son environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement à prendre une...); la maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à différents...) des conditions initiales peut être compliquée et l'expérience peut détruire le système étudié ou le modifier suffisamment pour empêcher de recommencer.

La simulation est souvent moins chère que l'expérimentation et comporte beaucoup moins de risques lorsque l'homme fait partie du système étudié. Les résultats peuvent être obtenus beaucoup plus rapidement.

La simulation (surtout numérique) est basée sur une connaissance des phénomènes qui ne peut être obtenue que par l'expérimentation. Une simulation ne peut donc être réalisée que si on dispose d'un acquis de connaissances suffisant obtenu par des expérimentations sur des phénomènes antérieurs et analogues. Quelle que soit la qualité de la simulation, elle ne remplace pas totalement l'expérimentation.

Certaines simulations ont un coût très élevé (même s'il reste faible devant celui de l'expérimentation). Ceci explique que les utilisateurs de la simulation, en particulier lorsqu'elle utilise des moyens de calcul exceptionnels, sont les industries à forte valeur ajoutée (aéronautique et espace, nucléaire) ou à risque élevé (militaire).

Différents types de simulation

On appelle modèle un élément, analogique (Le concept d'analogique est utilisé par opposition à celui de numérique.) ou numérique, dont le comportement vis-à-vis d'un phénomène est similaire à celui de l'élément à étudier. Les sorties sont les éléments que l'on veut étudier. Les entrées, paramètres et contraintes sont les éléments dont la variation influe sur le comportement du modèle ; on appelle entrée ceux qui sont commandés par l'expérimentateur, paramètres ceux que l'opérateur (Le mot opérateur est employé dans les domaines :) choisit de fixer et contraintes ceux qui dépendent d'éléments extérieurs. On appelle simulation l'ensemble constitué par un modèle, les ordres d'entrée, les paramètres et contraintes, et les résultats obtenus.

Comme indiqué plus haut les maquettes, prototypes, etc. peuvent être considérés comme des modèles analogiques et les essais, tests, manœuvres, etc. comme des simulations analogiques.

Les équations sont des simulations numériques. Aujourd'hui ce terme s'applique essentiellement aux modèles et simulations réalisés sur ordinateur.

Dans certains cas on peut réaliser des simulations hybrides, analogiques - numériques, qui intègrent divers éléments dont certains seulement sont représentés par des équations.

Lorsque le calculateur est suffisamment rapide pour fournir un résultat à la même vitesse (On distingue :), voire plus rapidement, que le phénomène réel on parle de simulation en temps réel. On peut alors réaliser des simulations analogiques - numériques où l'un des éléments analogiques est l'homme : il s'agit de simulation avec l'homme dans la boucle. Un simulateur de pilotage en est un bon exemple : le pilote (analogique) est assis dans une cabine (Sur un bateau, une cabine désigne une pièce d'habitation pour une ou plusieurs personnes. Une cabine peut prendre plusieurs aspects : sur un grand navire, elle prend l'apparence d'un chambre d'hôtel pour les...) de pilotage quasi-réelle (analogique) et pilote son avion. Les ordres qu'il donne sont lus par un ordinateur qui calcule les mouvements de l'avion (numérique). Ces mouvements sont restitués (analogique) sur la cabine et sur les écrans ce qui permet au pilote de sentir et voir les effets des ordres qu'il a donné.

Le jeu de simulation est une application récente du même principe. La différence entre le jeu et le simulateur d'étude réside soit dans :

  • le coût des éléments analogiques : un simulateur de pilotage pour jouer remplace la cabine réelle par un clavier d'ordinateur et n'utilise qu'un seul écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur, sous forme de texte et d'images...) pour montrer les instruments et le paysage (Étymologiquement, le paysage est l'agencement des traits, des caractères, des formes d'un espace limité, d'un « pays ». Portion de l'espace terrestre saisi horizontalement par un observateur, il...). Par contre, au moins dans le cas d'un avion de tourisme (Le tourisme est le fait de quitter son domicile, pour des raisons personnelles, pour une durée supérieure à 24 heures. Ce qui implique la consommation d'une nuitée auprès d'un hôtelier et...), les équations de vol sont les mêmes que celles du simulateur d'étude qui est utilisé par l'ingénieur.
  • dans l'introduction de paramètres fantastiques : le simulateur pour jouer introduit des phénomènes qui n'existent pas dans la réalité telles que pouvoirs surnaturels, armes nouvelles, etc.

Utilisation de la simulation

Les simulations sont utilisées par les professionnels (chercheurs, ingénieurs, économistes, médecins, etc.) dans toutes les phases de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) ou d'étude d'un phénomène ou pour concevoir et améliorer les systèmes.

Les simulateurs hybrides analogiques - numériques avec homme dans la boucle, sont de plus en plus utilisés pour l'enseignement (L'enseignement (du latin "insignis", remarquable, marqué d'un signe, distingué) est une pratique d'éducation visant à...) ou l'entraînement. Leur coût relativement élevé les a d'abord réservés aux professions les plus en pointe ou à risque (pilotage d'un aéronef (Un aéronef est un moyen de transport capable d'évoluer au sein de l'atmosphère terrestre. On distingue deux catégories d'aéronefs : l'aérostat et...), commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.) d'une centrale nucléaire (Une centrale nucléaire est un site industriel qui utilise la fission de noyaux atomiques pour produire de la chaleur, dont une partie est transformée en électricité (entre 30 % et...), engagement armé, etc.). La diminution du prix des systèmes vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la restitution d'images animées, accompagnées ou non de son, sur un support adapté à...) permet d'envisager aujourd'hui des applications à la conduite des camions (Le camion est un véhicule automobile à roues destiné à transporter des marchandises. Le routier (routière) ou camionneur (camionneuse) a pour profession la conduite d'un camion.) voire des automobiles.

Enfin de nombreux jeux vidéo sont des utilisateurs des mêmes techniques soit en permettant au joueur de se trouver dans une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un...) excitante ou dangereuse (pilote de chasse…) soit dans une situation fantasmagorique.

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